Классификация землесосных установок оборудованных струйными аппаратами

Землесосные установки, оборудованные струйными аппаратами, различают двух основных видов:

- эрлифтные;

- эжекторные (гидроэлеваторные)

Эрлифтные снаряды являются глубоководными устройствами применяемыми для добычи нерудных ископаемых в реках и водоёмах, кроме того они используются для добычи ископаемых с морских глубин. Отличаются простой конструкции и высокой надежностью при работе на глубинах более 10 – 15 м., что в некоторых случаях определяет их выбор в качестве необходимого оборудования.

Эрлифт представляет собой простой трубопровод, в который подается сжатый воздух, обращающий водовоздушную смесь, плотность которой меньше плотности воды. В результате смесь поднимается со дна и выплескивается на приемную баржу. При возможности обеспечения контакта нижней части трубы с донными отложениями, струи воды размывают и транспортируют грунт из зоны устья трубы эрлифта.

Эжекторные (гидроэлеваторные) снаряды представляют собой землесосные машины, где в качестве всасывающего органа используется струйный насос, струйный аппарат, эжектор. Принципиальная схема работы эжекторного снаряда приведена на рисунке 1.4. Вода от внешнего центробежного насоса 5 подается в напорный патрубок эжектора 3 и попадает в кольцевой зазор (сопло), образованный входной горловиной и кольцом. Из кольцевого зазора с увеличенной скоростью входит в смесительную камеру, создавая при этом максимально возможную величину вакуума в смесительной камере, способствующую всасыванию, как песчаных наносов, так и крупных включений.

1 – фреза, 2 –гидромотор, 3 – эжекторная установка, 4 – центробежный землесос, 5 – насос рабочей воды, 6 – насос технической воды, 7 – задвижка,
8 – трубопровод, 9 – вакуумный эжектор, 10 – ультразвуковой расходомер,
11 – трубопровод подачи воды к эжекторной установке, 12 – стрела,
13 – всасывающий патрубок, 14 – пульт управления, 15 – фильтрационный бак технической воды, 16 – пантон, 17,18,19,20,21 – манометры, 22 – палуба.

Рисунок 1.4 – Принципиальная схема эжекторного землесосного снаряда

Из смесительной камеры пульпа входит в диффузор и далее с расчетной скоростью во всасывающий пульпопровод. Для размыва грунта, как правило, используется гидравлический рыхлитель. Эжекторное грунтозаборное устройство обеспечивает устойчивую консистенцию пульпы при заборе грунта с плотностью до 1.3 т/м³, что компенсирует сравнительно низкий КПД самого струйного насоса. Применяются эжекторные грунтозаборные устройства при различных глубинах от 3 - 5 до 40 – 50 м. Специальные эжекторные снаряды используются для прокладки подводных траншей и очистки водоёмов.

Насосы прямого действия характеризуются простотой оборудования, отсутствием вращающихся и двигающихся частей в связи с чем происходит резкое сокращение времени простоев на ремонт и профилактическое обслуживание. Кроме того отпадает необходимость в постоянном использовании вспомогательных средств - плавучих подъёмных кранов большой грузоподъёмности и т. п. Значительным недостатком землесосных снарядов также являются большие затраты времени (до 30-40 % общего времени) на ремонт и профилактическое обслуживание, связанное с износом и необходимостью замены рабочих колёс, бронедисков и других быстро изнашиваемых деталей. Единственной быстроизнашивающейся деталью при гидроэлеваторном способе подъёма является вкладыш камеры смешения, который имеет относительно небольшие размеры и легко заменяется без разборки снаряда в течение короткого времени.

Преимущества эжекторной схемы грунтозабора описаны выше и, несмотря на низкий КПД, эжекторную схему довольно часто используют при строительстве снарядов. При работе на больших глубинах, когда отсутствует возможность применения погружных грунтовых насосов и не требуется перемещение поднятого материала на большие расстояния, используются эжекторные грунтозаборные устройства. Грунтозаборное устройство эжекторного типа дает возможность создавать высокое разряжение, способное отрывать частицы грунта и поднимать их на расстояние до 200 м.

При необходимости увеличения всасывающей способности земснаряда, применяют методы повышения его всасывающей способности при помощи эжектирования на всасывающей линии.

Существуют два способа эжектирования:

1. Метод С.П. Огородникова, когда 15 – 35 % расхода воды используется на гидрорыхление, при этом производительность снарядов увеличивается на 15 – 30%.

2. По методу Х.Ш. Мустафина. Х.Ш. Мустафин используя некоторые выводы П.Н.Каменева и А.П.Юфина рекомендует 20 – 25% от расхода использовать для гидрорыхления грунта. При этом на эжектор подается 80% воды от расхода пульпы, а 20% поступает виде водонасыщенного грунта. Такого вида снаряды называют эжекторно-землесосными. Х.Ш.Мустафин ввел понятие «эффективность грунтозабора» для земснарядов с эжекторным типом грунтозабора, однако при этом открытым остался вопрос о минимуме удельных энергозатрат на разработку 1 м3 грунта, при параметрах эжектирования на заданной глубине или при заданной проектной производительности земснаряда.

В результате использования эжектирования грунтозабора как правило повышается как расход земснаряда по пульпе, так и его производительность по грунту, о чем многократно говориться в литературе.

А.И.Хариным определена область рационального применения эжекторного грунтозабора, зависящего от производительности снаряда по грунту и снижения стоимости работ с грунтом.

Максимальная плотность пульпы при оптимальных условиях эксплуатации эжектора на гравийных смесях с размером частиц 5 – 20 мм и при завале всасывающего наконечника составляет 1.18 – 1.20 т/м3. Более высокую плотность пульпы получить сложно в связи с тем, что при эжектировании одновременно растет скорость в сопле, что ведет к кавитационному режиму, при котором количество подсасываемого грунта уменьшается.

В своих работах А.И.Харин дает методику оценки области применения эжекторного грунтозабора по стоимости разработки 1 м3 грунта. Ориентировочно считается, что в соответствии со стоимостью разработки 1 м3 грунта, оптимальная глубина погружения всасывающего трубопровода земснаряда не должна превышать 14 м. В таком случае при применении эжекторного грунтозабора снизится стоимость разработки 1 м3 грунта.

Попытку оценить энергозатраты при разработке грунта эжекторными земснарядами сделали в своих работах И.П. Будько и В.П. Латхин, которые приводят зависимости для определения геометрических размеров кольцевого землесоса, не раскрывая порядок вывода.

По мнению многих известных отечественных специалистов в области гидромеханизации земляных работ (Б.М. Шкундин, Х.Ш. Мустафин,
Г.Е. Мускевич), высокая всасывающая способность слабо согласуется с возможностями транспортной системы земснарядов. Для уменьшения затраченной мощности привода водяного насоса и уменьшения глубины погружения эжектора, целесообразно не просто подать воду в пульпопровод земснаряда, а подать ее через эжектор, создавая тем самым дополнительный подпор во всасывающем пульпопроводе центробежного землесоса.

Эжекторный грунтозабор желательно использовать для разработки песчано–гравийных отложений, когда не требуется перекачивать добытый материал или транспортировать на расстояние более 200 м., в таком случае имеется возможность погрузить в баржу или подать на плавучую обогатительную установку, находящуюся на землесосном снаряде.

Известно, что основным недостатком струйных аппаратов является низкий коэффициент полезного действия, который компенсируется высокой консистенцией пульпы. Эжекторный грунтозабор целесообразен при необходимости подъема песчано-гравийных материалов с глубины 20 – 25 м.

В настоящее время для забора и транспортировки пульпы при очистке мелиоративных водоёмов применяются, в основном три конструкции струйных аппаратов:

- с центральным подводом рабочей жидкости (рис. 1.5)

- с кольцевой одноповерхностной рабочей струей конструкции
В.А. Бородзича (рис.1.6)

- с кольцевой двухповерхностной рабочей струей конструкции Г.Е.Мускевича (рис 1.7).

1 - всасывающий патрубок, 2 - сопло, 3 - напорный патрубок, 4 - гидрорыхлитель, 5 - смеситель, 6 - диффузор Рисунок 1.5 – Струйный насос с центральным подводом.

1 - патрубок для подачи напорной воды, 2 - межтрубное пространство для подачи напорной воды, 3 - кольцевая щель-насадок, 4 - патрубок для засасывания пульпы, 5 - предохранительная сетка, 6 - камера смешения, 7 - патрубок камеры, 8 - диффузор, 9 - нагнетательный пульпопровод Рисунок 1.6 – Струйный насос кольцевого типа конструкция В.А. Бородзича

1 – рабочий трубопровод, 2,3 – внешний и внутренний конусы сопла,
4 – конфузор, 5 – смеситель, 6 – диффузор

Рисунок 1.7 – Конструктивная схема кольцевого двухповерхностного струйного насоса конструкции Г.Е. Мускевича (а.с.165109)

На основе конструкции эжектора Г.Е. Мускевича его учеником проф. Тарасьянцем С.А. разработан ряд конструкций насосов, среди которых некоторые исследованы и применяются в народном хозяйстве.

Струйный насос с турбинным приводом размельчителя (рис 1.8).

Струйный насос с размельчителем (рис. 1.9) в виде подвижных ножей на входе, где для эффективного размельчения установлен приводной вал и сетка с каналами, по которым осуществляется подвод активной среды на рабочую поверхность сетки.

Комбинированный шнеко-струиный насос (рис. 1.10), где шнек последовательно соединен со струйным насосом для уменьшения возможности закупорки смесителя.

Струйный насос со шнековым размельчителем. В этом случае трансформируется конструкция кольцевого одноповерхностного насоса конструкции В.А. Бородзича.

Все вышеизложенные конструкции струйных аппаратов, за исключением насоса с турбинным приводом размельчителя, позволяют повысить консистенцию пульпы. При необходимости производить работы по размельчению мелких включений и остатков растений, находящихся в наносах, для использования струйных аппаратов любой известной конструкции, необходимо использование двигателя (гидравлического или электрического), что намного усложняет процесс всасывания в земснаряде.

1 - корпус, 2 - патрубок подвода активной среды, 3 - сопло, 4 - камера смешения,
5 - патрубок для крепления подвижных ножей, 6 - кольцевой канал, 7 - турбинные лопатки, 8 - подвижные ножи.

Рисунок 1.8 – Струйный насос с турбинным приводом размельчителя

Рисунок 1.9 – Струйный насос с размельчителем

Рисунок 1.10 – Комбинированный шнеко-струиный насос

Выводы по главе:

1. Наиболее распространенные, в настоящее время, как отечественные так и зарубежные снаряды, оборудованы центробежными землесосами с механическими и гидравлическим способам рыхления грунта, максимальная производительность которых достигает 400 м³/ч, с напором по воде до 60 м.

2. В литературе практически отсутствуют характеристики землесосов, испытанных при транспортировке пульпы, очевидно из-за больших сложностей при проведении исследований.

3. В существующих теориях, расчет гидротранспорта грунта и пересчета напорно-расходных характеристик центробежных землесосов, используют зависимости применяемые при расчете на воде, с увеличением полученных значений на величину плотности перекачиваемой пульпы.

4. При определении критической скорости (минимальная скорость, при которой грунт выпадает в осадок) используется коэффициент транспортабельности грунта Y, который при расчетах показывает значения, не соответствующие действительности и в случае необходимости проведения проектных работ, все гидравлические параметры принимаются ориентировочно.

5. Теории расчета эжекторных систем забора и транспортировки пульпы, описаны достаточно подробно по расчету оптимальных значений элементов самого струйного насоса на входе. При неоднократном определении максимально возможных напоров, создаваемых снарядом с эжекторным всасом или с последовательной установкой струйного аппарата и центробежного землесоса, практически отсутствуют рекомендации, в связи с чем их расчет приходится проводить с ориентировочными напорами и коэффициентами гидравлических сопротивлений.